DE19806410A1 - Solarkollektoren mit fokussierenden Stablinsen - Google Patents
Solarkollektoren mit fokussierenden StablinsenInfo
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Description
Bei den heutigen Solarkollektoren in Privathäusern, die fast ausschließlich Flüssigkeitskollek
toren sind, ist die Absorberfläche praktisch gleich groß der Kollektorfläche. Vor allem durch
hochentwickelte Absorbermaterialien gelingt es, im Sommer bei Sonnenschein die Energie zur
Brauchwassererwärmung aus Kollektoren zu gewinnen. Leider nutzt man bis heute aus Kosten
gründen nur relativ wenig von den vorhandenen Gebäudeflächen.
In der Übergangszeit und kalten Jahreszeit bringen die Solarkollektoren praktisch keinen Gewinn
für Heizung oder Brauchwasser. Das liegt daran, daß in Mitteleuropa in Privathäusern fast
ausschließlich Warmwasserheizungen betrieben werden und hierzu genügt das Temperaturniveau
der Solarkollektoren im Winter nicht. Dabei zeigt eine vorsichtige Abschätzung, daß selbst in der
kalten Jahreszeit die Nutzung der Solarenergie in unseren Breiten mindestens 5% des Gesamt
energieverbrauchs von Privathäusern ausmachen könnte.
Der in den Patentansprüchen 1-3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die
Dauer der jährlichen Solarenergie-Nutzung erhöht und trotzdem die Herstellungskosten für
Solarkollektoren in Privathäusern eher gesenkt werden müssen.
Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
Durch stabförmige Sammellinsen werden die Sonnenstrahlen auf kleine Absorberflächen fokus
siert. Damit wird sehr viel teures Absorbermaterial eingespart. Die stabförmigen Sammellinsen
werden aus einfacher Massenware (Kunststoff, Glas) hergestellt, weil keine hohen Ansprüche an
die optischen Qualitäten gestellt werden. Eine streng linienförmige Fokussierung ist ohnehin
nicht anzustreben, es genügt, eine Strahlenbündelung so vorzunehmen, daß die einfallende Solar
energie auf eine Absorberfläche konzentriert wird, die nur einen Bruchteil von der Fläche der
Einstrahlung beträgt. Die Ausdehnung der Absorberfläche wird im wesentlichen bedingt durch
die Wanderung des Fleckes des Strahlenbündels auf der Absorberfläche mit dem jeweiligen
Sonnenstand.
Zweckmäßigerweise ordnet man die Röhren bzw. Schächte der Kollektoren und damit auch die
Stablinsen horizontal an. Für die zweidimensionale Strahlenfokussierung ist dann nur ein Winkel
kleiner als 90° zu berücksichtigen, nämlich der Winkel zwischen Sonnenaufgang und Sonnen
höchststand. Wie Abb. 1+2 zeigen, läßt sich hierfür die maximale Abweichung des Strahlflecks
von der optischen Achse konstruieren. Eine Totalreflexion tritt innerhalb dieses Winkels nicht
auf. Für die Sonnenstandsänderung von Ost nach West ist ein gestreckter Winkel zu berück
sichtigen. Aber diese Bewegungskomponente geschieht in Richtung der Längsachse der Stablin
sen und da findet nur eine Parallelverschiebung der Strahlen beim Durchgang statt. (Abb. 1)
Damit wird bei einer horizontalen Anordnung der Stablinsen eine Totalreflexion ausgeschaltet.
Ein weiterer Vorteil durch die Strahlenbündelung von Stablinsen besteht darin, daß diese in eine
Mehrfachabdeckung integriert werden kann. Eine Mehrfachabdeckung als transparente Wärme
dämmung ist ohnehin Voraussetzung zur Steigerung des Energie-Wandlungsgrades eines Solar
kollektors.
Indem alternativ zur erwärmten Flüssigkeit erwärmte Luft ausgekoppelt werden kann, wird die
Forderung erfüllt, mehr Solarenergie zu gewinnen, auch wenn es auf niedrigerem Temperaturni
veau geschieht. Sie wird direkt für die Raumheizung gewonnen und damit nützlich für die Über
gangszeiten bzw. kalte Jahreszeit. Das ist um so wichtiger, als gut wärmegedämmte Häuser ohne
einen kontrollierten Luftaustausch nicht mehr auskommen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in dem Patentanspruch 3 angegeben. Man
nutzt die fokussierende Wirkung flüssigkeitsdurchströmter transparenter Röhren und integriert
das Absorbermaterial darin. Es reduziert sich auf einen Bruchteil des gegenwärtigen Bedarfs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abb. 1-3 dargestellt und werden getrennt
beschrieben.
Abb. 1a zeigt den Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung der zu erwärmenden Medien
Luft oder Flüssigkeit.
Bei der Verwendung als Luftkollektor durchströmt die zu erwärmende Luft den Schacht (1), der
in der Mitte die Flüssigkeit führende Röhre (2) enthält. Die Wände des Luftschachtes (3) werden
zweckmäßigerweise aus Holz gefertigt, weil dieses ein hohes Absorptionsvermögen für Wärme
energie hat und außerdem ökologisch unbedenklich ist.
Damit durch den sich verändernden Sonnenstand und die damit verbundene Lageänderung der
durch die stabförmige Sammellinse (4) gebündelten Sonnenstrahlen auf der die Flüssigkeit ent
haltenden Röhre auch auftrifft, sind die Wände mit einer dünnen reflektierenden Folie (5) umge
ben.
Wenn die Anlage als Luftkollektor betrieben wird, ruht die Flüssigkeit in der Röhre. In den kälte
ren Jahreszeiten ist die solare Strahlungsenergie viel geringer als in der warmen. Deshalb ist eine
höhere Verweilzeit der zu erwärmenden Luft im Kollektor erforderlich. Das ist kein Problem, da
nicht permanent erwärmte Luft abgezogen werden muß. Deshalb ist ein zusätzlicher Raum (6)
vorgesehen, in dem die erwärmte Luft kurzzeitig zwischengespeichert wird. Eine permanente
Umwälzung der Luft ist nicht erforderlich.
Die mit Flüssigkeit gefüllte Röhre und die Holzwände speichern einen erheblichen Teil der Solar
energie, sodaß die Frischluft nach längerer Einstrahlungsdauer rascher erwärmt wird. Außerdem
dienen sie als kleiner Puffer gegen Schwankungen der Solarenergie (z. B. durch vorüberziehende
Wolken) und am Ende der Einstrahlungsperiode, wenn die Anlage in Schatten eintaucht.
In der wärmeren Jahreszeit wird in Privathäusern nicht die Funktion des Luftkollektors, sondern
die des Flüssigkeitskollektors benötigt. Durch die geometrisch-optische Strahlenbündelung kann
man die Oberfläche des Flüssigkeitsabsorbers wesentlich kleiner halten als bei üblichen. Damit
läßt sich mindestens 50% des Absorbermaterials einsparen. Der Röhrenquerschnitt kann kleiner
als normal gehalten werden ohne Gefahr einer Temperaturüberhöhung wenn man die Verweilzeit
im Kollektor durch eine höhere Durchströmungsgeschwindigkeit verringert.
In Abb. 2 wird folgendes angenommen: das flüssige Wärmeträgermedium durchströmt die trans
parenten Röhren mit kreisförmigem Querschnitt (1), gewissermaßen als Vorlauf. Danach fließt
das Wärmeträgermedium durch flache Röhren mit rechteckigem Querschnitt (2). Das Absorber
material ist dort einfach als Flachstab (3) eingelassen und erreicht höchstens die Breite des
Durchmessers einer Röhre. Infolge des Fokussierungseffektes durch die kreisförmigen Röhren
trifft die Solarstrahlung gebündelt dort auf.
Wenn ein so konstruierter Solarkollektor auf einem Dach aufgebaut wird, auf das nicht schon
mit Sonnenaufgang die Sonne einstrahlt (Hindernisse in der Nachbarschaft, Himmelsrichtung be
dingt), so lassen sich die Flachröhren verkleinern bzw. der Bedarf an Absorbermaterial verringern.
Das zeigt die Gegenüberstellung A und b der Abb. 2. Der Fall A bezieht sich auf Einfallswinkel
zwischen 20° und 75°, der Fall B auf Einfallswinkel zwischen 30° und 75°. Man erkennt, daß
a < b ist, weil die Wanderung der gebündelten Solarstrahlung geringer wird.
In Abb. 3 sind die Absorbermaterialien direkt in transparente Röhren (1) integriert, die von einem
klaren Wärmeträgermedium durchströmt werden. Die Röhren haben kreisförmigen oder halb
kreisförmigen Querschnitt. In beiden Fällen wird die auftreffende Solarstrahlung in den Röhren
so gebrochen, daß sie auf das Absorbermaterial auftrifft.
Claims (3)
1. Solarkollektor zum Erwärmen von Flüssigkeit und/oder Luft
dadurch gekennzeichnet, daß durch geometrisch-optische Linsenwirkung stabförmiger
Sammellinsen die Sonnenstrahlen zweidimensional fokussiert auf die Absorberfläche auf
treffen.
2. Solarkollektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber, der eine Flüssigkeit enthält, alternativ die
rings um den Absorber vorbeiströmende Luft erwärmt, während die Flüssigkeit im Ab
sorber selbst ruht oder die durchströmende Flüssigkeit erwärmt, während die Luftschicht
ruht (Abb. 1).
3. Solarkollektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein transparentes flüssiges Wärmeträgermedium mit einem
optischen Brechungsindex < 1 transparente Kunststoff- oder Glasröhren durchströmt, so
daß diese Einheit eine Stablinse bildet und damit die einfallenden Sonnenstrahlen auf das
Absorbermaterial, das in der Röhre angebracht ist, fokussiert oder gebündelt auftreffen
läßt (Abb. 2 und 3).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19806410A DE19806410A1 (de) | 1998-02-17 | 1998-02-17 | Solarkollektoren mit fokussierenden Stablinsen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19806410A DE19806410A1 (de) | 1998-02-17 | 1998-02-17 | Solarkollektoren mit fokussierenden Stablinsen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19806410A1 true DE19806410A1 (de) | 1999-08-19 |
Family
ID=7857926
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19806410A Withdrawn DE19806410A1 (de) | 1998-02-17 | 1998-02-17 | Solarkollektoren mit fokussierenden Stablinsen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19806410A1 (de) |
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